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近年来,光催化材料在环境净化领域的研究和应用,引起了人们广泛的关注,其中研究最多的光催化材料为TiO2,由于它价廉、性能高以及安全性,在大气/水污染净化治理等环保领域的应用最具潜力而成为研究焦点。然而TiO2存在光子利用率低、光生电子空穴对复合迅速等缺点,限制了实际应用,需进一步改善。本文研究目的是制备高活性光催化剂,从两个方面着手:提高光生电子空穴对的利用率,采用稀土元素La掺杂和La,F共掺杂对TiO2结构进行控制;提高光催化剂对太阳能的利用,制备了一种圆环结构的可见光型光催化剂BiOI。本论文采用了新颖简易的制备方法,制备得到的3种光催化剂具体如下:①镧掺杂改性TiO2(下文中以“La-TiO2”表示)粉体;②镧氟共掺杂改性TiO2(下文中以“(La,F)-TiO2”表示)粉体;③微米圆环碘氧化铋(BiOI)粉体,并详细讨论了它们的结构和光催化性能的关系。 超憎水材料表面几乎不粘水,水珠能立即滚落同时带走表面的污染物,从而起到自清洁和防雾的效果,目前同时具有光催化和超憎水的多功能薄膜,在自清洁玻璃如建筑物、汽车和光伏等领域应用前景大,本论文制备了CNTs/TiO2光催化超憎水透明多功能性复合薄膜,并研究了它们的结构和光催化超憎水性能之间的关系。 本文的主要研究内容简要如下: (1) La-TiO2光催化粉体 以钛酸纳米管为前驱体,通过引入稀土金属元素La,采用水热法制备了La-TiO2光催化粉体。与未掺杂TiO2对比,La-TiO2粉体增加了表面缺陷/氧缺陷,表面缺陷能够吸附氧气形成O-基团,进行空穴捕获,抑制了载流子的再复合,显著提高了光催化活性。 (2)(La,F)-TiO2光催化粉体 以钛酸纳米管为前驱体,通过La、F共掺的水热合成方法,成功制备了具有高光催化活性的、结晶-无序核-壳结构锐钛矿相(La,F)-TiO2粉体。表面的无序壳是由(La,F)共掺,La3+占据晶格间隙,F-取代晶格中O2-位置而形成。无序表面壳层引起能带弯曲,能够有效地捕获光生空穴,结晶-无序核-壳结构(La,F)-TiO2在紫外光照射下降解甲基橙,显示了高的光催化活性。这是合成结晶-无序核-壳结构锐钛矿相TiO2光催化剂的一种新途径。 (3)可见光反应型BiOI光催化粉体 用乙醇-油酸的混合溶剂为反应媒介,通过一步水热法合成了由纳米片组装而成的BiOI微米圆环。同样实验条件下,当不含油酸时,仅得到BiOI微米片。在乙醇-油酸混合溶剂的反应体系中,油酸起着诱导作用,油酸中的羧酸基团可以与Bi离子发生相互作用形成复合物(-COO--Bi3+),该复合物通过吸附在BiOI晶核的晶面,控制BiOI的定向生长,从而诱导纳米片组装形成圆环。实验制备的微米圆环状结构BiOI与微米片状结构BiOI相比,可见光催化活性提高了30%。该实验呈现了一种新的、简单的制备微米圆环的方法。 (4)光催化超憎水透明多功能性CNTs/TiO2复合薄膜 使用液相沉积法,沉积液中添加CNTs分散液,在玻璃基板上制备了CNTs/TiO2光催化超憎水透明复合功能薄膜。550nm波长时透过率达到79%,接触角达到160±3°,滚动角小于2°;另外,紫外光照射下降解亚甲基蓝溶液时,CNTs/TiO2薄膜的光催化效果是纯TiO2薄膜的1.6倍。该薄膜的微观形貌观察表明,高分散、大小均匀的TiO2纳米颗粒沿着纳米管生长,负载在碳纳米管表面,CNTs与TiO2之间形成了Ti-O-C化学键合,Ti-O-C化学键合起到桥梁作用,促进CNTs和TiO2的相互沉积,使CNTs和TiO2组装形成复合物,最终形成了微米/纳米粗糙的层次结构。这种通过Ti-O-C化学键合桥梁组装机理的发现,是一种新型制备多功能复合薄膜的方法。